生物计算机科学家,生物计算机里面养着啥生物？

一般来说，当我们不知道一个名词的意思时，会自动地把手伸向计算机键盘，打开搜索引擎浏览一番。但是对于生物计算机这个词条，总觉得搜索到的名词解释仍然令人一头雾水。机器和生命总是在科幻小说和电影中被设定为一对矛盾的事物，是怎样摒弃前嫌组合到一起的呢？既然要由生物来完成计算，里面究竟是那种生物？聪明的细菌还是浸泡在药水中的、插满电极的大脑？而且，只要是生物就会有死亡，要是计算机中某一环节的生物死了，计算机不是就“死机”了？里面储存的信息会不会随着一起消失？

猛犸的解答

一个微微颤动的大脑泡在大罐子里，上面接满了线或许是很多人对于生物计算机最本能的想象了。不过这种想象和真实之间的距离有点远。

生物计算机里，其实没有任何活着的生物或者器官，有的只是一些在生物体内能够找到的材料而已；它们只是一些分子，并没有活与死的区别。 电子计算机是以电流来传递信号的，而在生物计算机中，传递信号的则是不同的分子——生物计算机其实应该叫做DNA计算机或者生物分子计算机，它是由DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质分子构成的分子自动机。它和今天我们使用的电子计算机十分不同，不过这两者之间却还是有些微妙的相似之处。

这还得从六十年前说起。1948年，现代电子计算机技术的奠基者之一、美籍匈牙利人约翰•冯•诺依曼(John von Neumann，1903-1957)在加利福尼亚州帕萨迪纳做了系列演讲，提出了关于“自动复制机器”的设想。他认为任何能够自我繁殖的系统，都应该同时具有两个基本功能：能够构建某一个组成元素和结构与自己一致的下一代，以及能够把对自身的描述传递给下一代。冯•诺依曼把这两个部分分别叫做“通用构造器”和“描述器”，而描述器又包括了一个“通用机”和保存在通用机能够读取的介质上的描述信息。这样，只要有合适的原料，通用构造器就可以根据描述器的指示，生产出下一台机器，并且把描述的信息也传递给这台新机器。随后，新机器启动，再进入下一个循环。 五年之后，詹姆斯•沃森(James Dewey Watson，1928-)和弗朗西斯•克里克(Francis Harry Crick，1916-2004)发现了DNA的双螺旋结构，人们才意识到大部分生物的遗传物质DNA就具备冯•诺依曼所提出的两个要求。

DNA很像是计算机的硬盘或者冯•诺依曼那个时代的磁带存储器，通过四种碱基不同顺序的编码，存储了生物所有的遗传信息，它本身就是一个描述器。这也就意味着，理论上我们可以使用四种碱基的组合来编码信息，并对其进行运算操作。 我们知道，DNA由G(鸟嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)四种碱基构成，共同构成了相互缠绕的双链阶梯状的双螺旋结构。如果一条单链上某个位置的碱基是腺嘌呤A的话，另一条单链的对应位置上则必然是胸腺嘧啶T；鸟嘌呤G和胞嘧啶C也存在同样的对应关系。这种方式很安全——如果一条DNA单链因为某种原因而被破坏，还可以根据另一条单链上对应位置的碱基把它补全，就像硬盘的镜像备份一样。

虽然理论上来说，DNA分子可以用来构建计算机器，但是真正实现则要到上世纪九十年代。那时，南加州大学的计算机科学家伦纳德•阿德曼(Leonard Max Adleman，1945-)偶然看到了詹姆斯•沃森那本著名的《基因的分子生物学》：“我躺在床上读这本书时，忽然意识到，互补的碱基和聚合酶的这种工作模式可以用来计算。”

1994年，阿德曼在《科学》杂志上发表了一篇论文，提出了用DNA计算的方式解决七顶点旅行商问题的方案(旅行商问题也叫汉密尔顿路径问题，要求在多个顶点之间寻找出一条最短路径，经过所有顶点，但是每个顶点只能经过一次)。对于电子计算机来说，要解决这种问题需要先找到所有的可能路径，再对其分别比较以选出最短路径来。阿德曼的DNA计算机也使用了类似的方式，不过它的运算速度要比电子计算机快得多——但是，挑选出结果却要慢得多。首先，他用不同碱基的组合分子定义出每个顶点和每两个顶点之间的路径，其中路径的编码刚好和两个顶点的编码互补；再把这些分子和合适的酶放进试管，让它们自由组合。只需要几秒钟，分子们就已经组合出了答案，只不过正确答案和所有的错误答案都混在一起而已。 接下来，阿德曼花了七天时间把正确答案挑选出来。他用电泳技术先把长度符合答案的DNA链分拣出来，再用亲和力萃取技术选出所有包含第一个顶点的DNA链，再从中分出同时包含第二个顶点的DNA，以此类推。在经过七次萃取之后，他获得了同时包含七个顶点的DNA链，以及连接这七个顶点的八条线路。这次在试管里进行的生物计算，获得了数学问题的答案。虽然它的效率很低，但是这毕竟证明了DNA计算并不仅仅是纸面上的设想。 阿德曼的成功，掀起了DNA计算的热潮。1997年，美国罗切斯特大学的研究者安尼麦史•雷(Animesh Ray，1958-)和荻原光德(Mitsunori Ogihara，1963-)用DNA分子实现了计算机的基本器件逻辑门，让传统的布尔逻辑运算成为可能。但是只有逻辑门并不意味着可以制造出计算机，就像掌握了烧砖的技术并不意味着能够建造起摩天大楼一样。科学家们还在继续摸索。

在进入二十一世纪之后，DNA计算的热点主要集中到自组装相关计算和体内DNA计算上来。这些研究方向将可能会造就纳米尺度上的计算元件，也可能会制造出针对性很强的新型检测方法和药物。相关的研究成果层出不穷，但是还远远没有能够达到可以实际应用的程度。今年六月，美国加州理工学院的研究者制造出了由74个DNA分子组成的生化电路，可以计算一个小于15的整数的平方根。这是迄今为止最复杂的DNA计算装置，但是它依然比任何一个单细胞生物都要小得多。人们现在努力的方向之一，是把DNA计算移植到芯片上进行，当然其主角依然是那些纳米级尺寸的DNA分子。也许这种计算设备会被叫做“生物计算芯片”，而当它上市的时候我们就会发现，它里面依然没有什么我们一般概念上的生物：没有植物、没有动物，连细菌都没有。 所以，不用担心生物计算机里面的生物；它们不会死掉的。

来源：科学松鼠会 http://songshuhui.net/archives/70494